黑素體在黑素細胞內運輸及調控機制的研究進展

寧 婧，張汝芝

(蘇州大學附屬第三醫院 皮膚性病科， 江蘇 常州 213003)

黑素體(melanosomes, MS)是黑素細胞(melano-cytes, MC)中一種專門合成、儲存和運輸黑素的溶酶體相關膜性細胞器。MS內含多種特殊的黑素合成酶和相關結構蛋白，其中酪氨酸酶(tyrosinase，TYR)是黑素合成的關鍵限速酶[1]。MS經歷4個不同階段(Ⅰ～Ⅳ期)至完全發育成熟后，沿MC骨架向外周運輸直至質膜，后遷移到鄰近的角質形成細胞(keratino-cytes, KC)中，聚集在核上方，保護KC的DNA免受光損傷[2]。MS運輸障礙可直接影響皮膚和毛發的顏色，與多種色素性疾病相關， 如Griscelli綜合征、有點狀白斑的Darier病、色素性基底細胞上皮瘤及無色素痣等[3]。本文簡要綜述MS在MC中的運輸及調節機制。

1 MS在MC中的運輸路徑

早期未成熟MS在核周區域停留，發育成熟后向細胞周圍運輸，該過程是3種蛋白[動力蛋白(dynein)、驅動蛋白(kinesin)以及肌球蛋白(myosin)]與兩種細胞骨架[微管(microtubules，MT)和肌動蛋白微絲(actin filaments，AF)]相互作用的結果[4]。MT為長距離運輸(>1 μm)軌道，與驅動蛋白和動力蛋白相互作用，介導MS在細胞中心和外周之間快速、雙向、遠距離運輸。AF組成的復雜網絡為短距離運輸(<1 μm)軌道,與肌球蛋白共同將MS運輸到MC樹突頂端并錨定在胞膜上，等待下一步轉運進入KC[5]。

2 MS在MT上的運輸

2.1 順向運輸

驅動蛋白-1在哺乳動物的MC中高表達，與成熟MS上的Rab1A(RAB家族的一員,一種小GTP酶)以及沙門氏菌誘導絲狀體A-驅動蛋白相互作用蛋白(SifA-kinesin-interacting protein，SKIP, Pleckstrin同源結構域蛋白M家族的一員)共同形成Rab1A-SKIP-驅動蛋白-1運輸復合物，介導MS在MT上的順向運輸[6]。動力肌動蛋白亞基1(dynactin subunit 1，DCTN1，又稱p150 Glued)缺陷的melan-a細胞中的Rab1A敲低會抑制MS順向運輸，導致MS在核周聚集，說明Rab1A在MS沿MT順向運輸過程中具有重要作用。微管相關蛋白1輕鏈3B (microtubule-associated protein 1 light chain 3B, MAP1-LC3B/LC3B)基因敲除的MC中可見MS核周聚集現象，說明LC3B可能也參與組成運輸復合物，并且可以在不影響MT的情況下，特異性降低MS的運動速度，在調節順向運輸的過程中起著重要作用[7]。

2.2 逆向運輸

依賴MT的MS逆向運輸由動力蛋白-動力肌動蛋白(dynactin)運動復合體介導。動力蛋白是目前已知的最大、最快的動力蛋白，在介導MS沿MT的逆向運動中起著至關重要的作用，需與動力肌動蛋白(dynactin)結合才具有活性，再通過動力肌動蛋白上的p150 Glued亞單位與MT結合，從而介導MS的逆向運輸。動力蛋白受到抑制或動力蛋白-動力肌動蛋白復合體被破壞時，均會出現MT上的MS順向運動增強，原本聚集在核周區域的MS分散到細胞外周，甚至出現超分散現象[8]。逆向運輸在MT介導的雙向運動中占主導作用，這可能與利于未成熟MS在核周區域發育成熟相關，因此，MT對MS的核周聚集具有極其重要的作用。

2.3 依賴MT的MS運輸的調控

無色素痣(naevus depigmentosus, ND)又稱脫色素痣，是一種病因不明的先天性、非家族性皮膚色素減退斑，皮損內可見MC中部分MS停滯在Ⅰ、Ⅱ期并伴轉運異常，可能與未成熟MS主要受逆向運輸調控相關[9]。

MS的最終定位很大程度上取決于驅動蛋白和動力蛋白的數量和激活狀態。順向運輸過程中動力蛋白始終附著于MT并與驅動蛋白競爭，而逆向運輸過程中驅動蛋白脫離軌道，不影響運輸過程。動力肌動蛋白可以與動力蛋白和驅動蛋白-Ⅱ發生競爭性的結合，提示其可能是協調雙向運動平衡的關鍵性分子[10]。MS沿MT的雙向運輸也受Rab7和Rab27A相對數量調控。早期未成熟MS主要和Rab7結合，Rab7與Rab相互作用溶酶體蛋白(Rab-interacting lysosomal protein，RILP)和p150 Glued結合形成Rab7-RILP-肌動蛋白復合物，發揮逆向運輸調控作用，以促使其核周聚集并進一步發育成熟[11]。黑素調節蛋白(melanoregulin，Mreg)通過影響MS對動力蛋白和動力肌動蛋白的招募調控MS在MT上的逆向運輸[12]。摩托蛋白的結合伴侶和調節蛋白上的修飾物也可決定MS的最終定位，微管結合蛋白4(microtubule-associated protein 4，MAP4)磷酸化可抑制MS與MT結合，促進動力蛋白介導的逆向運輸并抑制順向運輸[13]。整合素連接激酶(integrin-linked kinase，ILK)也是MS沿MT軌道正常運輸所必需的，缺乏ILK時，未成熟MS不能在核周區域停留，而成熟MS會沿MT軌道進行隨機雙向運動，無法實現向MT樹突端的凈位移[14]。

3 MS在AF上的運輸過程

3.1 MT上的MS被捕獲至AF

經MT依賴的長距離順向運輸被運送到細胞周邊后，未成熟MS通過逆向運輸返回細胞核周區域，而成熟的MS與MT分離，在AF和肌球蛋白-Va的共同作用下被捕獲，附著在AF豐富的樹突頂端和側緣區域，阻止其返回細胞中心[15]。自噬相關蛋白酶4B(autophagy related protease 4B，ATG4B)是MS轉位到AF所必需的，MS在相關LC3B被ATG4B脫脂并分離后才能夠轉位，而內源性ATG4B水平的siRNA缺失可發生MS核周聚集[7]。肌球蛋白-Va突變的MC中，成熟MS沿MT進行雙向運動，無法在外周聚集。Rab27A也參與捕獲過程，Rab27a基因缺失會引起MS在MT上的逆向運輸增強，導致核周聚集。Rab36是MS在MT和AF間轉移的開關，RILP-動力蛋白和RILPL2-肌球蛋白-Va可與MS上的Rab36競爭性結合，從而影響捕獲過程[16]。

3.2 Rab27a-Mlph-肌球蛋白-Va三元運輸復合體

MS被AF捕獲后，在AF富集的樹突尖端區域進行局部、短距離運動。對依賴AF的MS運動的認識很大程度上依賴于格林塞利綜合征(Griscelli syndr-ome，GS)。GS是一種罕見的常染色體隱性遺傳病，以皮膚色素減退、銀發、免疫缺陷及毛干內大量簇狀色素沉著為特征。電鏡下可見皮損處MC核周有大量正常、成熟MS異常沉積。Rab27A、肌球蛋白-Va和黑素親和素(melanophilin，Mlph)發生異常或基因突變分別導致GS-Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型[3]。這些突變細胞中的MS向樹突尖端轉移受阻，在MC的核周區域聚集，表明AF介導的運輸存在缺陷。

MS沿AF向樹突尖端的運輸以及分散狀態的維持是由成熟MS表面表達的Rab27A依次招募Mlph和肌球蛋白-Va所形成的Rab27A-Mlph-肌球蛋白-Va三元運輸復合物所介導的。以往普遍認為MT和AF及其相關的運動蛋白在長距離和短距離細胞器運輸中起互補作用。然而，在MT耗竭的細胞中，肌球蛋白-Va也能迅速(速度>1 μm/min)將MS運輸到細胞外周的樹突尖端部位(距離>10 μm)，表明AF和三元運輸復合物在MS遠距離運輸中也具有一定作用[17]。

3.3 依賴AF的MS運輸的調控

依賴AF的MS運輸過程受到Rab27A、Mlph和肌球蛋白-Va之間相互作用、與AF的結合情況及其他蛋白的調控。

Rab27A是MITF的直接作用靶點，Rab27A-交換蛋白(Rab27A-GDP/GTP exchange protein，Rab3GEP)可激活Rab27A并靶向到MS膜上，促進MS轉運[18]。異甘草素(isiquiritigenin，ISL，甘草根中提取的一種黃酮類化合物)可激活MAPK/ERK通路而降低MITF的表達，導致Rab27A的表達降低，抑制MS轉運[19]。而原卟啉IX(protoporphyrin IX，PPIX)通過激活cGMP/PKG信號通路誘導MITF及Rab27A的表達增加，促進MS運輸[20]。Mlph在三元運輸復合體中起連接作用，是關鍵的中間物質，其表達受糖皮質激素受體(glucocorticoid receptor，GR)的調節[21]。16-Kauren-2-beta-18,19-triol(一種從熱帶植物-Asteraceae psiadia punctulata中提取的天然二萜類化合物)可在不影響Rab27A和肌球蛋白-Va表達的情況下選擇性抑制Mlph在mRNA和蛋白水平的表達，從而抑制MS轉運[22]。抗增殖蛋白(prohibitin，PHB/BAP32)可通過增強Rab27A和Mlph之間的相互作用調節MS轉運[23]。突觸結合蛋白樣蛋白2-a(synaptotagmin-like protein 2，Slp2-a/Sytl2)也可與Rab27A及Mlph相互作用，對MS依賴AF的運輸過程進行調控[13]。Mlph的C端肌動蛋白結合域(actin binding domain，ABD)的磷酸化狀態可以調控MS對運動軌道的選擇，低水平cAMP使大量Mlph去磷酸化，肌球蛋白-Va活性降低后與MS分離，使MS傾向于與MT結合而向細胞核的聚集，而中等水平至高水平的cAMP使Mlph磷酸化，發揮抑制動力蛋白的作用，增強與肌球蛋白-Va的結合，在不增加Rab27A-Mlph-肌球蛋白-Va三元運輸復合體形成情況下促進MS與AF結合，使MS向樹突尖端分散[24]。肌球蛋白-Va的ATP酶活性受RILPL2調節后可加強肌球蛋白-Va與Mlph的作用，從而調節MS依賴AF的運動[16]。

4 問題與展望

MS直接影響皮膚和毛發的顏色，在保護人體和皮膚健康方面也具有重要作用，其運輸缺陷會導致多種色素相關性疾病。MS從MC核周向外周轉運的過程是動力蛋白、驅動蛋白和肌球蛋白分別與MT和AF相互作用的結果，然而，此運輸過程及相關調控機制尚未完全明確，MT如何與AF協同運輸MS，MS運輸的方向性如何被精確調控，生物體內的MS運輸機制是否和體外實驗完全相同，仍有待進一步研究。深入研究MC內MS運輸及調控機制，有助于揭示MS運輸障礙相關色素性疾病的發病及調控機制，發現潛在的治療靶點，為臨床治療提供新的思路和方向。